爆炸相關(guān)的恐怖襲擊對(duì)全球安全和穩(wěn)定造成了巨大的威脅，探索可靠的痕量爆炸物氣氛檢測(cè)方法是有效遏制爆炸恐怖襲擊的有效手段之一。目前，用于痕量爆炸物檢測(cè)的方法主要有離子遷移譜、熒光、拉曼光譜和氣敏傳感。其中，基于電學(xué)傳感器的氣敏檢測(cè)方法以非接觸、采樣簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。然而，由于在實(shí)際場(chǎng)景中，爆炸物蒸氣濃度會(huì)低于ppb（十億分之一）甚至ppq（千萬(wàn)億分之一）級(jí)別。因此，吸附在納米材料表面的爆炸物分子極少，這就需要傳感器在實(shí)際檢測(cè)時(shí)具有極高的靈敏度。針對(duì)此問題，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室科研人員開發(fā)了基于TiO2插層調(diào)節(jié)的高靈敏硝基爆炸物氣氛肖特基結(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)TNT、DNT、PNT、PA、RDX及HMX等硝基爆炸物在ppb至ppq濃度范圍的檢測(cè)（Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 4039）。

　　然而，單個(gè)電學(xué)傳感器只能檢測(cè)但不能夠識(shí)別爆炸物，需要傳感器陣列才能使爆炸物的識(shí)別成為可能。自然嗅覺系統(tǒng)在氣體檢測(cè)方面具有超高的靈敏度，可達(dá)到0.1飛摩爾，對(duì)設(shè)計(jì)和構(gòu)建痕量氣氛傳感器具有十分重要的借鑒作用。傳感器陣列的構(gòu)建類似于人工嗅覺系統(tǒng)，將有利于爆炸物蒸氣的識(shí)別檢測(cè)。一般意義上，傳感器陣列通過一組實(shí)體傳感器協(xié)同工作，如課題組前期通過ZnS納米晶結(jié)構(gòu)調(diào)控構(gòu)建的傳感器陣列可實(shí)現(xiàn)爆炸物氣氛的識(shí)別（Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 4578–4586）。然而，傳統(tǒng)意義上的傳感器陣列如果其中的一個(gè)傳感器不能工作，整個(gè)傳感器陣列的識(shí)別能力都會(huì)受到影響。因此，如何簡(jiǎn)化傳感器陣列的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸物氣氛的高靈敏識(shí)別檢測(cè)，不僅具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且頗具挑戰(zhàn)。

　　基于此，課題組首先構(gòu)建了石墨烯/氧化鋅/硅納米線三元肖特基結(jié)作為檢測(cè)爆炸物氣氛的高靈敏傳感材料。在此基礎(chǔ)上，巧妙地通過調(diào)節(jié)單色LED光源的光強(qiáng)調(diào)制傳感器性能。例如，通過調(diào)節(jié)468 nm單色LED光源形成8種不同光強(qiáng)周期性照射肖特基結(jié)，即可得到由8個(gè)傳感器組成的傳感器陣列。該設(shè)計(jì)中，光的施加會(huì)產(chǎn)生三種作用：1）調(diào)控肖特基勢(shì)壘的高度；2）調(diào)控載流子濃度；3）調(diào)控分析物的吸附-脫附平衡。因此，對(duì)于同一種爆炸物氣氛，在8種不同光強(qiáng)下，肖特基結(jié)會(huì)產(chǎn)生8個(gè)不同的響應(yīng)值。另外，由于不同的爆炸物分子得到電子和失去電子的能力不同，因而，對(duì)于不同的爆炸物，肖特基結(jié)即使在同一種光強(qiáng)下呈現(xiàn)出的響應(yīng)大小也不一樣。最后，通過主成分分析方法對(duì)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)TNT、DNT、PNT、PA、RDX、Urea、BP（黑火藥）和AN（硝銨）等8種制式及非制式爆炸物的高靈敏、快速識(shí)別檢測(cè)。相比于傳統(tǒng)的傳感器陣列，該傳感器陣列基于單個(gè)傳感器即可實(shí)現(xiàn)陣列檢測(cè)的功能，同時(shí)，大大節(jié)約了傳感器陣列的制備工序，并從原理上顯著提升了陣列的穩(wěn)定性。不僅如此，該方案在檢測(cè)不同濃度的同一種爆炸物時(shí)，其響應(yīng)數(shù)據(jù)在主成分空間中會(huì)落在一個(gè)線性區(qū)，因此，利用該光電肖特基結(jié)傳感器檢測(cè)未知的爆炸物，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)爆炸物的識(shí)別，而且可以實(shí)現(xiàn)半定量分析。

　　該研究中的基于一個(gè)傳感器構(gòu)建傳感器陣列，亦即人工嗅覺系統(tǒng)的方案為簡(jiǎn)化傳感器陣列構(gòu)建步驟，開發(fā)具有識(shí)別功能的爆炸物氣氛傳感器提供了新的思路。同時(shí)，該研究思路亦可為其它痕量氣氛傳感器的設(shè)計(jì)提供借鑒。

　　日前，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院“百人計(jì)劃”等項(xiàng)目的資助。

基于石墨烯/氧化鋅/硅納米線光電肖特基結(jié)的爆炸物人工嗅覺系統(tǒng)